缺失的部分：为什么物理学家被迫寻求引力的量子理论

通常将通常用于科学，尤其是用于物理的数学与语言进行比较-这给人的印象是，它主要用作吓scar陌生人的秘密代码，这更多的是麻烦而不是必要。尽管我支持并赞赏科学的普及，但是仔细避免使用技术术语和方程会导致这样一个事实，即数学被认为是一种可选的东西，充其量是草书，最坏的情况是一种折磨工具。但是数学的意义不仅仅如此。

首先，数学是一门思想学科。它消除了语言的不确定性，并充当了从假设推导出结果的工具。她不受人类软弱的束缚，不懂怜悯，并且坚守客观。



现代理论物理学的工作原理是基于一组假设或公理来创建理论，尽管不必明确地建立它们，有时甚至可以隐式地定义它们。然而，以数学术语表述时，这些假设导致对物理学家的结论要大得多。为了使一种理论在适用于宇宙的意义上可以被接受，所有这些结论都必须在内部是一致的，即不产生矛盾，并且必须与观察一致。

为了描述当前最基本的自然水平，我们有两种理论-GR和粒子物理学中的标准模型。 GR是经典理论，标准模型是量子场论。第一个不遵守海森堡不确定性原理，第二个不遵守。这两种理论共同能够描述所有现有的观测结果，尽管这些描述的某些方面不能完全满足我们的要求，例如，暗物质缺乏微观结构。两种理论的结合与观察相吻合，但麻烦在于它们彼此不一致。



这种差异可以通过黑洞中的信息丢失问题得到最好的证明。将GR与量子场论相结合，我们得到了一种称为“弯曲空间中的量子场论”的东西。它部分是经典的，部分是量子的，因此被称为“半经典重力”。在这种结合的理论中，可以计算出黑洞发出辐射，称为“霍金辐射”，以纪念其发现者。

霍金辐射-黑体的光谱，没有特殊符号，也没有确定参数，唯一的例外是：其温度取决于黑洞的初始质量。这意味着所有具有相同初始质量的黑洞都会蒸发，从而产生完全相同的热辐射，而不管它们是由什么形成的。黑洞的形成和随后蒸发的过程是不可逆的：即使我们了解最终状态的一切，我们也无法确定初始状态。信息丢失。问题在于，这种本质上不可逆的过程与用于推导该过程的量子场论不相容：这是一种内部矛盾，错位-因此，自然无法以这种方式起作用。数学使我们得出了这个结论。



GR和标准模型的半经典组合导致其他问题。例如，我们不知道通过双间隙的电子的重力场发生了什么。我们知道电子的波函数是重叠的，并且通过两个缝隙，从而在测量期间在屏幕上产生统计分布。我们也知道电子携带能量。而且我们知道能量会产生引力场。但是由于重力场是经典的，因此它不能重叠并且像电子一样穿过两个狭缝。电子的引力场会发生什么？没有人知道，因为它太弱而无法测量。如此简单，如此侮辱！



说服物理学家认为GR和SM组合不完整的第三个原因是，在相当普通的情况下，它会导致出现奇异现象。奇异性是具有无限能量密度和曲率的对象。它们不是物理的，不应出现在有意义的理论中。例如，当水滴分离时，它们也出现在流体动力学中。但是，在后一种情况下，已知奇异性是在流体力学中使用近似值的人工产物，它在亚原子距离处不起作用。在非常短的距离上，必须使用更基本的理论（即量子理论，单个粒子）来描述水滴，并且其中没有奇异之处，这是可以预期的。



可以相信，通过将时空结构暴露在很小的距离上，重力的量化将解决这三个问题。不幸的是，重力无法像标准模型的其他相互作用一样被量化。如果我们将这些方法应用于引力，那么我们就会得出“有效量子引力”理论，该理论无法解决这些问题-它仍然会随着强曲率而破裂。这种天真的（“摄动”）定量引力不适用于解决奇异性和黑洞蒸发的问题，因为它仅适用于弱引力。作为基本理论，这没有意义。谈到“量子引力”，物理学家通常指的是一种无论引力有多强都会起作用的理论。

量子引力有几种理论方法。其中最著名的是渐近安全引力，环量子引力，弦论和因果动态三角剖分，以及与流体力学类比严重相关并且将重力视为衍生现象的思想。到目前为止，还不能说三种方法中的哪一种正确地描述了自然。

遵循BICEP宇宙微波本底辐射中极化测量的痕迹（现已确定这仅仅是前景中的灰尘的结果），据称这种测量将为我们提供重力定量化的证据。这并非完全正确。首先，这仅适用于弱引力场，因此不适用于量子引力的基本理论。此外，您必须谨慎考虑为争辩而做出的假设。实际上，早期宇宙中的量子引力起伏应该在背景辐射上留下印记，从理论上可以看出这一点。但是，要证明量子引力是产生可观察到的波动的唯一途径将更加困难。这样的结论需要贝尔定理之类的证明。古典理论不能做到这一点-但是没有这样的证据。



量子引力并不是一个大的研究领域，例如，凝聚态物理或癌症研究。这是一个很小的社区，但是仍然引起了公众的极大兴趣。这不是徒劳的。没有量子引力，我们将不知道空间和时间的行为方式，也不知道宇宙是如何开始的。我们需要一个量子引力理论来解释宇宙是如何构成的以及它是如何产生的。

我还相信，该理论将为我们提供有关量化的重要课程，这对我们在实践中将是有用的。如果您听取字符串理论的拥护者，那么此过程已经开始，无论字符串理论是否可以解决黑洞中的信息丢失问题！

量子引力的吸引力归因于问题的纯正性和数学逻辑的必然性，得出结论认为谜题没有重要部分。我们必须找出纯粹的数学方法是否足以找到这一部分。如果不是这样，我们的结论将仍然是模棱两可的，将没有更多的指导数据。

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